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陕西理工学院毕业设计第1页共62页1引言温度是工业过程控制中主要的被控参数之一,在冶金、化工、建材、食品、石油等工业中,工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同,随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。越来越显示出其优越性。随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能不断增强,许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在温度控制系统中,单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产中,如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等,都用到了电阻加热的原理。鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性,温度控制的重要性,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文就是根据这一思想来展开的。1.1系统设计的目的和任务1.1.1系统设计的目的通过本次毕业设计,主要想达到以下目的1.增进对单片机的感性认识,加深对单片机理论方面的理解。2.掌握单片机的内部功能模块的应用,如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等。3.了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现,为以后工作中设计和实现单片机应用系统打下基础。4.熟悉闭环控制系统的组成原理及单片机PID算法的实现方法。1.1.2系统设计的任务1.查阅资料,弄清楚所要解决的问题的思路,确定设计方案。2.系统硬件电路设计。3.系统相关软件设计。4.仿真实现温度参数设定、转换、显示等功能。5.依据对象模型设计控制器参数,6.系统调试与分析并依据调试结果予以完善。1.2毕业设计论文安排1.论证系统设计方案,设计系统原理图。2.系统硬件设计与测试。3.绘制软件设计流程图,设计软件功能模块并调试。陕西理工学院毕业设计第2页共62页4.系统仿真与调试。5.系统调试,并依据调试结果完善设计。陕西理工学院毕业设计第3页共62页2系统方案的论证与原理图设计2.1系统方案论证方案一采用8031芯片作为控制核心,以ADC0809做模数转换,采用LED显示当前的温度和设定的温度,经过一定的算法来控制输出,从而来控制炉温。此方案的缺点是8031芯片内部没有程序存储器,在硬件设计中需要外扩展程序存储器,这样硬件电路比较复杂。在软件设计时的读取数据比较麻烦。方案二采用AT89C51芯片作为控制核心,以ADC0809做模数转换,并用LED显示当前的温度和设定的温度,设置复位键和设定温度键,通过PID算法来控制输出,从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是系统简明扼要,硬件电路比较简单缺点是所测的温度精度不高。方案三采用PLC西门子300来作为控制核心,并用LED显示当前的温度和设定的温度,经过一定的算法来控制输出,从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是硬件电路简单,系统稳定缺点是所设计的系统成本比较高。综上所述,并结合我们学校实验室的具体情况,选择第二种方案。2.2系统设计原理框图本系统采用典型的反馈式温度控制系统,系统组成见图2.1。图中数字控制器的功能由AT89C51单片机实现由热敏电阻、电桥、A/D转换器构成输入通道,用于采集炉内的温度信号,其中热敏电阻选用mf1226型号,它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为05v标准电压信号,以供A/D转换用转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较,即可得到实际炉温和给定炉温的偏差炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算,计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的PWM波送至SSR,从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率,起到调温的作用。图2.1温度控制系统组成原理框图AT89C51显示键盘电阻炉SSRAD转换温度采集SCR陕西理工学院毕业设计第4页共62页3硬件电路的设计3.1温度控制器的选择控制器选择目前市场上最流行的也是笔者最熟悉的atmel公司的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.1.1AT89C51的主要特性与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0Hz24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.1.2AT89C51的管腿图所选用的AT89C51芯片的管腿图如图3.1所示单片机对外呈现3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线由P0口分时复用为数据总线由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引腿组成控制总线。由于是16位地址线,因此,可使片外存储器的寻址范围达到64KB。其P3口还具有第二功能,如表3.1所示。陕西理工学院毕业设计第5页共62页表3.1P3口第二功能表引腿第二功能P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2INT0外部中断0请求输入端,低电平有效P3.3INT1外部中断1请求输入端,低电平有效P3.4T0定时器/计数器0记数脉冲输入端P3.5T1定时器/计数器0记数脉冲输入端P3.6WR外部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效P3.7RD外部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效3.2温度检测电路设计温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,陕西理工学院毕业设计第6页共62页测温常用的器件有热电偶和热电阻,由于电烤箱温度控制范围较低,故采用热电阻测温,热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加或降低这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器件。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。为此,设计如图3.2所示,热电阻温度检测电路采用三线出三线入连接方法。图3.2热电阻温度检测电路当测温范围不大,元件长度和截面积随温度改变引起的阻值变化可以忽略时,热电阻元件的阻值随温度变化可以认为是线性的,可以用式3-1表示100ttRRtt(式3-1)其中,t0表参考温度0tR表示参考温度下的铂热电阻阻值表示电阻元件的平均电阻温度系数,即电阻元件的温度相对于参考温度每变化1℃时,引起考温度下每欧姆电阻值的增量。电桥处于平衡时,则有321RRRRt式3-2令RlR2,则R3Rt,,使得R3的阻值等于铂热电阻的阻值。这样,通过电桥的方法测量出t温度下热电阻的阻值,就可以算出此时的温度110031Rt(式3-3)陕西理工学院毕业设计第7页共62页根据上述热敏电阻测温原理,系统中,电桥各参数如下R147kR247kR31.5K热敏电阻阻值与实际温度及采样电压的对应关系如下表3.2所示表3.2温度数字量对照表温度C100120140160180200220240电压V2.02.42.83.23.64.04.44.83.3模数转换电路设计现阶段生产的ADC具有模块化、与微机总线兼容等特点,在选择ADC芯片时,除需要满足用户的各种技术要求外,还须注意①数字输出的方式②对启动信号的要求③转换精度和转换时问④稳定性及抗干扰性。逐次逼近式ADC具有较高的转换速度、转换程序固定和精度高的特点,适用于快速自动检测系统与多回路的快速数据采集系统,一般是转换速度小于lms的场合。电烤箱温度变化范围不会太大,本系统要求最小温度分辨率为1℃,假使温度变化范围为100℃,整个系统的温度采集点应为1002200个,8位转换器分辨率为1/256,完全满足转换精度要求,故本系统采用8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809。ADC0809性能如下分辨率为8位。精度ADC0809小于1/2LSB。单一5V供电,模拟输入电压范围为05V。具有锁存控制的8路输入模拟开关。功耗为15mw。不必进行零点和满度调整。转换速度取决于芯片外接的时钟频率,时钟频率范围为101280KHZ,典型值为640KHZ,约为100微妙。
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zhaozilong上传于2013-11-21

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